מבוא

שלב ה-QPSK (QPSK) הוא אבן הפינה של התקשורת הדיגיטלית המודרנית, במיוחד במערכות שבהן רוחב הפס הוא בקושי אך יש למקסם את שערי הנתונים.קישורים לוויין - בין אם לשידור טלוויזיה, אינטרנט פס רחב או תקשורת צבאית - באופן ישיר על QPSK עבור האיזון החיובי של יעילות ספקטרום, יעילות כוח, ועוצמה גבוהה יותר בפני רעש והתערבות.

המונחים: QPSK

QPSK הוא צורה של שלב מודולציה שבו אות המוביל משתנה בין ארבעה מצבים שונים לייצג נתונים דיגיטליים.כל מצב מתאים שילוב ייחודי של שני סיביות (סמל) ארבע מדינות שלב בדרך כלל 0 °, 90°, 180° ו 270 ° (או שווה ערך 45°, 135°, 225° ו 315 מעלות אם a ⁇ /4set משמש זה מאפשר מיפוי זה כדי לקבל את הסמלים של ארבעה.

מ BPSK ל QPSK: Doubling Data Rate

שלב בינארי Shift Keying (BPSK) משתמש בשתי מדינות שלב (0 מעלות ו-180 מעלות) כדי לשדר קצת אחד לסמל. QPSK מרחיב את זה על ידי שימוש בארבע מדינות שלב ממונעות באותה מידה, ובכך להעביר שני ביטים לסמל. כי קצב הסמל (baud) נשאר זהה, קצב bitfolds מבלי לדרוש רוחב פס נוסף.PSK זה היתרון העיקרי של QPSK מעל BPSK בפס רוחב פס רוחב פס רוחב פס רוחב פס רוחב פס קצר יותר, עם זאת, עם מספר כפול של מספר כפול מאשר מספר כפול של מספר כפול מאשר מספר כפול של קשת נקודות כוח.

Constellation Diagram ו- Gray Coding

קבוצת QPSK היא קבוצה של ארבע נקודות על המטוס המורכב, בדרך כלל ממוקם (±1 / ⁇ 2, ±1 / ⁇ 2) כאשר רגיל ליחידה כוח.כל נקודה מייצגת שילוב של in-phase (I) ו quadrature (Q) ampldes, כל אחת משתי רמות. Gray coding הוא סטנדרטי: נקודות קבוצות דומות רק על ידי אחת, לדוגמה, מיפוי ( 0.

כיצד QPSK עובד בפועל

מנטרול QPSK מחלק את זרם ה bit הנכנס לשני זרמים מקבילים של חצי קצב. זרם אחד משנה את נושאת ה-phase (cos ⁇ t) ואת השני משנה את נושאת quadrature (-sin ⁇ t) שני אותות מודולים הבאים מסומנים כדי לייצר את גל המפלט, coherentulations לשחזר את נושאת ה- Qlocking ו- Qbanded בשלב המקורי.

מקלטי לוויין מעשיים חייבים לפצות על שינויים דופלר שנגרמו על ידי תנועה לווינית ועל רעש בשלב מoscillators. QPSK שונה (DQPSK) ניתן להשתמש כדי למנוע את הצורך בהתייחסות שלב מוחלט, עלות של השפלה קלה בביצועים של BER.

היתרונות של QPSK עבור קישורים לווייניים

ערוצי תקשורת לווין מאופיין על ידי עיכובים ארוכים של ההרחבה, אובדן נתיב גבוה, ותנאים אטמוספיריים שונים. QPSK מציעה מספר תכונות שהופכות אותו מתאים היטב לסביבות אלה.

  • (FLT:0) יעילות מרכזית: 1FLT:1 QPSK מספק 2 ביטים / הרץ, למעשה להכפיל את התפוקה יחסית BPSK בתוך רוחב פס שהוקצה זה קריטי עבור טרמפדרים לווייניים אשר יש הקצאת רוחב פס קבועה.
  • (FLT:0) יעילות: ההרחבה: ההרחבה: (ראה: ⁇ ) עבור שיעור שגיאה מעט, QPSK דורשת רק 3 dB יותר Eb/No מאשר BPSK, אך מספקת פעמיים את שיעור ה bit. בקרנות קישור לווייניות רבות, QPSK מעדיף על מודולציות מסדר גבוה יותר כמו 8PSK או 16APSK כי הוא יכול לסגור את הקשר עם יחס נמוך C/N, במיוחד בתנאי מבוה או מתפתל גשם.
  • (FLT:0) רובוט לרעש: FLT:1; מרחק Euclidean בין נקודות סט כוכבים סמוכים QPSK הוא ⁇ (Eb) (עבור אנרגיה יחידה ל bit), אשר מניב בערך BER ביחס ל- Q( ⁇ (2Eb/N0), מקובל על רוב שירותי הלוויין בעת תיקון קדימה (FEC) הוא מיושם.
  • (FLT:0) של יישום: FLT:1; המנוטור והדמורטטורים מבינים היטב וניתן לממשם עם לוגיקה דיגיטלית נמוכה או עיצובים FPGA, מה שהופך QPSK כלכלי עבור שני מסופי הקרקע ומטענים לווינים.

עבור קישור לוויין טיפוסי מיקוד ER של 10-5 עם concatenatedyer (למשל, ריד-Solomon + Viterbi), Eb / לא של כ 5-6 dB הוא לעתים קרובות מספיק עבור QPSK, בעוד 8PSK עשוי לדרוש 8-9 dB. זה כוח נמוך יותר מתורגמת ישירות לאנטנות קטנות יותר או שולי גבוה יותר.

הגבלות ומסחר

למרות החוזקות שלה, QPSK אינו ללא חסרונות, במיוחד בהשוואה לתכניות מודולציה מסדר גבוה בשימוש בסטנדרטים לוויין מודרניים כמו DVB-S2.

  • (FLT:0)Lower שיא יעילות ספקטרלית:FreaLT:1 עם 2 ביטים / הרץ, QPSK לא יכול להתאים את 3 ביטים / הרץ של 8PSK או 4 סיביות / הרץ של 16APSK.עבור שירותים עתירי גבוה על קישורים ברורים-ידי סקי, מודולים גבוהים יותר מועדפים.
  • (FLT:0) רגישות הרעש של פלס: 1FLT:1 QPSK רגיש לשלב ג'ייטר.הסובלנות בשלב היא בערך 45 ± °, אבל שולי מעשי הם הרבה יותר הדוק.
  • (FLT:0)Doppler Shiftmia: 1FLT במסלולים נמוכים של כדור הארץ (LEO) מערכות לוויין, שינויים דופלר יכולים להגיע לעשרות קילוורצץ.הדמוגרף חייב לעקוב אחר השינויים האלה, לעתים קרובות דורש רוחב פס רחב יותר אשר מגביר רעש.
  • (FLT:0) מגבר אי-לינימיות:FLT:1 QPSK, במיוחד כאשר משתמשים הדופקים המסוננים (למשל, cosine שורש-raated), מציג תנודות מעטות.אם המגבר בעל הכוח הגבוה של הלוויין (HPA) מופעל קרוב לריצוף כדי למקסם את יעילות הכוח, תנודות אלה גורם ספקטרום רחב יותר ולהגדיל את הבעיה (QQQ) או מצמצם את התנודות (PSK) או מצמצם את ה-DQQQQ.
  • (FLT:0) דרוגיות לימיטות: 1 כפי שעולה הביקוש רוחב פס, מפעילי לוויין נעים למודולציות סדר גבוה יותר (8PSK, 16APSK, 32APSK) עבור קישורים קדימה, ניתוק QPSK לערוצי החזרה נמוכים יותר או מצבי נפילה במהלך הגשמים.

משתנים מתקדמים של QPSK

מספר וריאציות של QPSK פותחו כדי להתמודד עם אתגרים ספציפיים בתקשורת לווינית וכחולית.

ההרחבה QPSK (OQPSK)

ב OQPSK, התזמון של זרם I ו- Q bit הוא מוקרן על ידי חצי תקופת סמל.זה מונע מעברים של שלב בו זמנית של 180 מעלות, אשר גורם פיסות מעטפה גדולות ב QPSK קונבנציונלי.התוצאה היא מעטפה קבועה יותר, צמצום הפרעות מחוץ לפס בעת נהיגה במגברים לא לינאריים. OQPSK משמש נרחב בתקשורת עמוקה ולוויינים ניידים.

⁇ /4-QPSK

גרסה זו משתמשת מעברי שלב מקודדים שונים של ⁇ /4 ו ±3 ⁇ /4, וכתוצאה מכך קבוצה מסתובבת.זה מגביל שלב קופץ למקסימום של 135 מעלות, שיפור יעילות הספקטרום וצמצום תנודות המעטפות. ⁇ /4-QPSK משמש במערכות לוויין ניידות מסוימות ובסטנדרט תאי של US Digital Standard (IS-136).

QPSK (DQPSK)

DQPSK מקודמת את הנתונים בהבדל בין מצבי שלב רצופים, תוך ביטול הצורך בהתייחסות שלב מוחלט.זה הופך אותו לחזק את האווירה הראשונית ופשוט יותר ליישום, בעלות של עונש קל ( ⁇ 1 dB) ב- Eb/No עבור אותו BER.זה משמש במערכות שבהן התאוששות מהירה היא קשה, כגון תקשורת לווייניתנית מתפוצת.

המונחים: QPSK in Satellite Communications

QPSK מופיע כמעט בכל קטגוריה של שירות לווייני, החל משודר לפס רחב ועד לחלל עמוק.

שידור טלוויזיה (DBS)

שידורי וידאו דיגיטליים באמצעות לווין (DVB-S) ויורשו DVB-S2 המנדט QPSK כמודולציה בסיסית. עבור DVB-S, QPSK עם concatenated768 (Reed-Solomon וקידוד convolutional coding) הוא המידע המנוקל היחיד.S2 מוסיף 8PSK עבור גבוה יותר באמצעות חישוב, אך QPSK נשאר ירידה חזקה עבור תנאי מזג אוויר טיפוסיים שנמצאו ב- 2F24444.

אינטרנט באמצעות לווין

שירותי פס רחב לווין כגון יוזNet, Viasat, ו- Starlink להשתמש במודולציה הסתגלות וקידוד (ACM) בתנאים בהירים, מערכות אלה עשויות לפעול עם 16APSK או 64QAM על הקישור קדימה, אבל תחת גשם דועך או שולי קישורים נמוכים הם נופלים חזרה ל- QPSK כדי לשמור על קישוריות.הקישור (מסוף ללוויינים) משתמש לעתים קרובות QPSK או OQ בגלל כוח במסוף, לדוגמה, עבור מגבלות המשתמש.

תקשורת צבאית וממשלתית

מערכות לוויין צבאיות כגון ארה"ב מתקדם מאוד גבוה תדירות (AEHF) ואת נאט"ו Satcoms להשתמש QPSK נרחב עבור הסתברות נמוכה-of-intercept (LPI) וקישורים אנטי-jam. את העוצמה והפשטות של QPSK להפוך אותו מתאים למסופים טקטיים כי חייב לפעול בסביבות רועשות, שנויות במחלוקת.

מערכות ניווט גלובליות (GNSS)

GPS, GLONASS ו- גלילאו משתמשים בגרסאות של QPSK (או בינארית של מודולציה של חברת התעופה שמקורה QPSK) עבור אותות הניווט שלהם.GPS L1 C/A ו- L1C אותות משתמשים BPSK(1) ו- QPSK(1) בהתאמה.מדינות ארבע-phase מאפשרות העברת שני זרמי נתונים משותפים - קוד רכישה משותף ומסר ניווט - על אותה נושאת.

תקשורת חלל עמוק

רשת החלל העמוק של נאס"א (DSN) משתמשת לעתים קרובות QPSK עבור טלמטרית גבוהה מהחלליות. Missions כגון Mars Perseverance rover וטלסקופ החלל ג'יימס Webb מעסיקה QPSK עם קודים חזקים להשגה נתונים אמינים לחזור על פני מיליארדי קילומטרים.

רשתות VSAT

רשתות קטנות מאוד טרמינל (VSAT) עבור קישוריות ארגונית בדרך כלל תכונה תחנת רכזת משדרת בפורמט TDM / TDMA. הקישור קדימה מן המרכז לעתים קרובות משתמש QPSK (או 8PSK) כדי למקסם את דרך האנטנות הקטנות. קישורים חזרה מסוף VSAT, מוגבל על ידי כוח וגודל אנטנה, בדרך כלל להשתמש QPSK עם חצי קוהרנט כדי לשמור על סגרה.

מגמות ואבולוציה עתידיים

בעוד QPSK היא טכנולוגיה בוגרת, היא ממשיכה להתפתח.המגמה בתקשורת לווינית היא לעבר יותר דרך חישוב ורשתות גמישות יותר, אבל QPSK נשאר רלוונטי ממספר סיבות.

  • (FLT:0) קבוצות כוכבים של Higher-orbit:FreaLT:1 ב Geostationary Earth Orbit (GEO), גשם אינטנסיבי יכול לעלות על 10 dB בקו-band ו Ka-band. QPSK עם חזק יכול לשמור על זמינות כאשר סדרי ראייה גבוהים יותר לא יכול.
  • (FLT:0)Low Earth Orbit (LEO) מגה-קונסטלציות: 1Freaves לוויינים LEO (Starlink, OneWeb, Project Kuiper) משתמשים באנטנות בשלבי-אריות עם beamforming דיגיטלי.מערכות אלה מעסיקות QPSK על הטרמינל למעלהlink בגלל תקציבי חשמל קפדניים ומגבלות רגולטוריות על EIRP.
  • (FLT:0) טלוויזיות מוגדרות:FearLT:1 ; מטענים לוויין מודרניים גמישים יותר ויותר, עם היכולת לעבור בין תוכניות מודולציה בזמן אמת. QPSK הוא בלוק בניין בסיסי ערכת הכלים מודולציה; תשלומים עתידיים עשויים להשתמש QPSK עם קודים שאינם בינאריים כדי לגשת לקיבולת שאנון.
  • (FLT:0 ,Optical Satellite קישורים: FLT:1hil בעוד תקשורת אופטית (lasercom) משתמשת במידות עוצמה מודולציה בעיקר, כמה מסופי אופטית קוהרנטיים לאמץ QPSK עבור העברת נתונים ברמה גבוהה על פני קישורים מרחביים חופשיים, נהנה מאותו יעילות ספקטרלית כמו ב RF.

עבור הדרכה מקיפה על חישובי קישור לווייני הכוללים פרמטרים של QPSK, ה- (FLT:0Satcoms בריטניה משאבFLT:1 מספק גליונות עבודה שימושיים ודוגמאות.

מסקנה

שלב Quadrature Shift Keying עמד במבחן הזמן בתקשורת לווינית. תערובת של יעילות כפולה ספקטרלית יחסית BPSK, דרישות כוח בינוניות, ופשטות של יישום להפוך אותו למטען עבודה עבור שירותים החל משודרים לטלוויזיה למדע החלל העמוק. בעוד לווייניים בעלי תפקידים גבוהים יותר תלויים יותר ויותר על 8PSK, 16APSK, ואפילו יותר סדרי הוראות עבור ניתוח ברור, QPSK נשאר חיוני לאכזבה בתנאי אבטחה, אך לא מתאים ל-S, אלא ל-S, כמו גם ל-Q פונקציות קריטיות, אך לא מתוכננות, אשר דורשות, כמו גם ל-S, אשר דורשות, אשר דורשות, כמו גם על פני מערכת יחסים קריטיות, כמו אלה, כמו אלה, אשר דורשות, כמו גם על פני מערכת יחסים קריטיות, אשר דורשות, בתנאי אבטחה, בתנאי שמערכת יחסים קריטיות, כמו לוויינים, אשר דורשות, אך דרישות אבטחה, אשר דורשות, אשר דורשות, אשר ימשיכו להיות מסוגלות, אך ורק על פני מערכת יחסים קריטיות, כמו גם על פני מערכת יחסים קריטיות, בתנאי שמערכת יחסים קריטיות, בתנאי שעדיין, כגון פונקציות אבטחה, כגון פונקציות אבטחה, כגון פונקציות אבטחה, כגון פונקציות אבטחה של מערכת יחסים קריטיות, כולל מערכות הפעלה של מערכת יחסים